Uvod u Mehatroniku

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

UVOD U MEHATORNIKU Povećana složenost savremenih tehničkih sistema, značajni napori u pogledu smanjenja troškova, sve veća očekivanja korisnika u pogledu pouzdanosti i drugi zahtevi iniciraju istraživanja novih tehnika u inženjerstvu, uopšte. Prilaz zasnovan na principima inženjerstva sistema ostaje jedini način da se ostane konkurentan na globalnom svetskom tržištu. Intenziviranje integracije elektronskih komponenata u oblastima koje su ranije bile neprikosnoveno mehaničke, veličina promena u tehnologijama, povećanje složenosti sistema, sve to dovodi do povećanja zahteva da se problemima pristupa na osnovama onoga što nudi inženjerstvo sistema. Razvoj na osnovama inženjerstva sistema predstavlja danas standardan način mišljenja. Poslednjih godina u industriji motornih vozila je počeo da se razvija neobičan trend - pojava mehatroničkih sistema sa inteligentnim i autonomnim sposobnostima. Razvoj integrisanih mehatroničkih proizvoda treba, na svoj način, da odigra ključnu ulogu u okviru mašinske industrije, posebno u industriji motornih vozila. Mehaničkoelektronska komponenta se smatra prostorno i funkcionalno integrisanim sistemom u ranoj fazi projektovanja. Na ovaj način, mogu se iskoristiti znanja iz različitih inženjerskih oblasti (mašinske konstrukcije, automatsko upravljanje, informatika). Prednosti ovog pristupa su: smanjenje vremena do pojave na tržištu; ∗ ∗ nove i poboljšane funkcije mehatroničkih komponenti/uređaja; povećanje pouzdanosti i izdržljivosti. ∗

1.1. Šta je mehatronika? Termin „mehatronika“ (Mechatronics) su prvi put uveli u upotrebu japanski inženjeri 1969. godine. Vodi poreklo od reči „mecha“ (mehanizam, mašina) i reči „tronics“ (skraćenica od elektronika). Ta reč danas ima šire značenje, i koristi se da opiše pristup (filozofiju) u

inženjerstvu koji koordinira i istovremeno razvija integraciju mašinskog inženjerstva sa elektronikom i inteligentnim kontrolnim sistemima, u projektovanju i proizvodnji proizvoda (sistema) i procesa. Kao rezultat, mehatronički sistemi imaju mnoge mehani čke funkcije zamenjene elektronikom. Time se ostvaruje mnogo veća fleksibilnost, lakša mogućnost reinženjeringa i reprogramiranja određenih sistema i proizvoda, kao i sposobnost da se sprovede automatsko prikupljanje podataka i izveštavanje.

Dr Vladimir Popovi ć ć , dipl. inž. maš.

1



Mehatronički sistemi nisu samo običan „brak“ elektronike i mehaničkih sistema, i mnogo su više od običnih kontrolnih sistema; oni su kompletna integracija svih njih, u kojem postoji istovremeni i zajedni čki pristup projektovanju. U projektovanju vozila, robota, mašina alatki, mašina za veš, kamera i foto-aparata, i mnogih drugih sistema, usvojen je jedan takav integrisani i multidisciplinarni pristup . Integracija preko tradicionalnih granica mašinstva, elektrotehnike, elektronike i kontrolonog inženjerstva (automatsko upravljanje) se javlja još u ranoj fazi procesa projektovanja, ako želimo da razvijamo jeftinije, pouzdanije i fleksibilnije sisteme. Mehatronika potencira istovremeni pristup ovim disciplinama, nasuprot pojedinačnog pristupa, u kome, na primer, prvo razvijamo mehani čki deo, pa onda elektronske delove, i na kraju mikroprocesor. Kao zaključak možemo reći da je mehatronika projektna filozofija, odnosno integrisani pristup inženjerstvu . Takođe, evidentno je da mehatronika zahteva horizontalnu integraciju različitih inženjerskih disciplina, kao i vertikalnu integraciju između projektovanja i proizvodnje. Posledica ovakvog, novog pristupa je potreba da inženjeri i drugo tehničko osoblje usvoje ovaj interdisciplinarni i integrisani pristup inženjerstvu. Inženjerima su danas potrebne veštine i znanja koja nisu usresre đena samo na jednu od gore pomenutih oblasti. Oni treba da budu u mogućnosti da povezuju mnoge inženjerske discipline, tj. da imaju što više znanja i veština iz različitih oblasti. Na taj način će budući inženjeri biti u mogućnosti da rešavaju probleme koji će se pred njih postavljati u 21. veku. To je i cilj predmeta – MEHATRONIKA NA VOZILU.

Dr Vladimir Popovi ć , dipl. inž. maš.

2



Mehatronika uključuje: senzore i merne sisteme, pogonske sisteme i izvršne organe (aktuatore), kao i mikroprocesore, zajedno sa analizom ponašanja sistema i kontrolnim sistemima – Slika 1.

Slika 1. Osnovni elementi mehatroni č kog sistema Primeri mehatroničkih sistema: - automatska proizvodna linija, - aktivni sistem oslanjanja (kod vozila), - kamera sa automatskim fokusom,...

Mehatronika je definisana u Rečniku elektronike (McGraw-Hill) kao "metod za projektovanje podsistema elektromehani čk ih proizvoda pomoć u istovremene simulacije elektronskih, mehani č kih i hidrauli č kih elemenata, da bi obezbedili optimum performansi. Kompjuterski simulirane komponente su modelirane kao grafi čk i prikaz u cilju stvaranja šema, koje postaju ulaz simulatora. Šeme su koriš će ne od strane simulatora da bi se odredilo koji modeli su potrebni i kako oni treba da budu povezani" .


3



Termin „ugrađeni sistemi“ (embedded systems) se koristi u slu čaju kada je mikroprocesor ugrađen u sistem, i ovaj tip sistema se razmatra u okviru mehatronike. U osnovi, mikroprocesor može biti razmatran kao skup logičkih kapija i memorijskih elemenata, koji nisu povezani kao pojedinačne komponente, ali čije logičke funkcije su sprovedene pomoću softvera. Za mikroprocesore koji se koriste u kontrolnim sistemima, potrebni su dodatni čipovi da bi obezbedili memoriju za čuvanje podataka, kao i memoriju za ulazne/izlazne portove, koji obezbeđuju procesni signal, sa i ka eksternim jedinicama. Mikrokontroleri su mikroprocesori sa ovim dodatnim kapacitetima sve je integrisano zajedno, na jednom čipu.

Ugrađen sistem je sistem baziran na mikroprocesoru, koji je projektovan da kontroliše opseg funkcija i koji nije projektovan da bude programiran od strane krajnjeg korisnika na isti način kao što je to računar. Prema tome, kod ugrađenih sistema, korisnik ne može menjati ono što sistem radi, dodavanjem ili zamenom softvera. Kao ilustracija primene mikrokontrolera u kontrolnim sistemima, savremene mašine za pranje veša imaju kontrolni sistem baziran na mikroprocesoru, u cilju kontrole ciklusa pranja, pumpi, motora i temperature vode. Savremena vozila imaju mikroprocesor koji kontroliše takve funkcije kao što su ABS ili upravljanje motora. Drugi primeri ovakvih sistema su: automatski fokus, mobilni telefon, DVD plejer, elektronski čitači kartica, fotokopir aparati, štampači, skeneri, televizori,...

1.2. Integracija inženjerskih disciplina U mnogim slučajevima, mehatronika kombinuje elektronske elemente koji su ranije bili izdvojeni u okviru jednog samostalnog elektronskog modula, sa elektromehaničkim aktuatorom. Ovo znači da elektronski kontrolisan sistem sadrži elektroniku kao integralni deo, na taj način smanjuju ći žičanu instalaciju i veze. Kako raspoloživ prostor nastavlja da se smanjuje, a broj aktuatora nastavlja da se povećava, mehatronika se sve više prihvata kao projektna metodologija za sve sisteme motornih vozila. Digitalne alatke (za mikrokontroler) i analogne alatke (za pokretanje aktuatora) koriste se da modeliraju brojne parametre i komponente mehatroničkog sistema. Modeliranje uključuje mehaničku, hidrauličku, toplotnu i druge analize. Verifikacija odgovarajuće funkcionalnosti kroz simulaciju može poboljšati pouzdanost i smanjiti vreme projektovanja komponenti. Zamenu jednostavnih elektro-mehaničkih komponenti sa “pametnim” mehatroničkim sistemima karakterišu dva aspekta: Dr Vladimir Popovi ć , dipl. inž. maš.

4


-


integracija hardverskih komponenti, i implementacija naprednih kontrolnih funkcija (funkcionalna ili algoritamska integracija).

Otuda, mehaničkim komponentama se upravlja preko osnovnih senzorskih povratnih sprega niskog nivoa i inteligentne obrade informacija vrhunskog nivoa. Projektna procedura, koju treba sprovesti u slučaju mehatroničkih sistema, je veoma zahtevna - potreno je da inženjerstvo sistema unutar polja mehanike, elektronike i informatike formira jedan u potpunosti integrisan sistem. Međutim, eksperimentalna verifikacija komplikovanih funkcija sistema pod realnim radnim uslovima je važnija nego ikad. Stoga, tehnologije inteligentnog testiranja, koje podržava CAE (Computer Aided Engineering - kompjuterska podrška inženjerstvu, inženjerstvo pomoću računara) i koje obezbeđuju numeričke simulacione modele, treba primeniti tokom razvoja komponenti i njihove kvalifikacije. Glavni projektni i kvalifikacioni koraci za mehatroni čke sisteme obuhvataju brzu kontrolu prototipa, koji je konstruisan ( rapidcontrol prototyping - RCP ), i hardversku simulaciju u povratnoj sprezi (hardware-in-the-loop simulation - HIL ) u okviru efikasnog razvojnog CAE okruženja. Akcenat treba staviti na međusobnu interakciju između kompjuterske podrške simulacije sistema i tehnika eksperimentalnog testiranja kroz inteligentnu obradu informacija.

Inženjerstvo pomoć u rač unara (CAE) je tehnologija koja omogućava kompjutersku analizu projekta, koji je kreiran u okviru CAD tehnologije. Time je inženjeru omogućeno da simulira i proučava kako će se budući proizvod ponašati u radu, još u okviru razvojnog procesa, dakle pre izrade proizvoda. Na osnovu rezultata ovih analiza dobijamo i jasan znak u kom pravcu treba vršiti usavršavanje konstrukcije proizvoda kako bi se otklonili uočeni nedostaci. Usavršavanje konstrukcije vrši se automatski, korišćenjem odgovarajućih algoritama. Upotrebom CAE tehnologije omogućeno je mnogo bolje povezivanje konstruisanja, ispitivanja i usavršavanja konstrukcije, razvojnih faza koje su do sada bile gotovo odvojene. Obostrani protok informacija izme đu ovih faza omogućava realniju sliku o kvalitetu proizvoda još u fazi njegovog dizajniranja. Informacije o greškama u dizajnu dostupne su još pre izgradnje i ispitivanja realnih, fizičkih prototipova. Pošto troškovi eksponencijalno rastu u kasnijim fazama razvoja i proizvodnje, rana optimizacija i usavršavanje dizajna omogućeni korišćenjem CAE tehnologije, donose prednost koja je izražena smanjenim utroškom vremena i novca. Napredne simulacione tehnologije koje koriste CAE pružaju velike prednosti jednoj kompaniji, smanjenjem troškova razvoja i testiranja, skraćenjem vremena do izlaska na tržište i poboljšanjem veka


5



proizvoda. Na Slici 2. dat je šematski prikaz procesa razvoja projekta. CAE stanica ustvari predstavlja tehnički konsalting, koji obuhvata:

CAE u koncept fazi ∗ ∗

3D modeliranje koncepta za trenutno vizuelno razumevanje CAE analiza na konceptnom nivou

CAE u CAD fazi ∗ ∗

CAE analiza pri detaljnom crtanju i nivou 3D modeliranja više projekata ocenjenih pre pravljenja prototipa

CAE u test fazi CAE testiranja ∗

simulaciona

anliza

u

cilju

skraćivanja

vremena

PROCES RAZVOJA PROJEKTA CAD STANICA

Specifikacija projekta

Koncept projekta

CAE u koncept fazi

Stvaranje crteža i modela

Izgradnja test prototipova verifikacija modela

CAE u CAD fazi

CAE u test fazi

Finalna optimizacija projekta

CAE STANICA OPTIMIZACIJA PROJEKTNOG MODELA

Slika 2. Proces razvoja projekta Ponovo se vratimo na RCP. To je visoko efikasna metoda za razvoj, implementaciju i testiranje ovih sofisticiranih kontrolnih funkcija. Tesno povezani unutar RCP su: - modeliranje sistema, - kompjuterska podrška simulaciji, - projektovanje kontrolnih sistema, i - eksperimentalna verifikacija. Kao rezultat, može se očekivati povećanje kvaliteta proizvoda kroz funkcionalnu optimizaciju u ranoj fazi projektovanja. RCP obuhvata i adaptivnu kontrolu, multi-varijabilne kontrolne sisteme i nelinearnu kontrolu. Slika 3. pokazuje razvojni ciklus mehatroni čkih kontrolnih funkcija.


6



Teoretsko modeliranje

Identifikacija sistema

Kontrolni sistem analiza/projektovanje

Fizički zakoni

A priori znanje struktura/parametri

Specifikacije performansi

Dinamički model struktura/parametri

Identifikacija - parametarska/neparametarska

Pojednostavl en e

Projektni model

Po edno stavl en e Pojednostavljen dinamički model

Eksperimentalni model U oređen e Rezultujući model

Projektovanje kontrolnog sistema

Kontrolni algoritam

Ocena

Implementacija Digitalna simulacija

O timizaci a

Testiranje/ kvalifikacija

Slika 3. Brzi kontrolni prototajping mehatroni č kih sistema projektni koraci Nakon teoretskog modeliranja i identifikacije eksperimentalnog sistema, sledeći projektni koraci su analiza kontrolnog sistema i projektovanje kontrolera zasnovanog na modelu. Međutim, eksperimentalna verifikacija je najkritičniji deo u pogledu vremena i u pogledu troškova. Stoga, zahtevi za efikasnom optimizacijom i testiranjem obuhvataju: ∗

∗

Development softversko okruženje (Software Environment - SDE ) sa preciziranim, čvrstim radnim vezama između različitih CAE alatki dostupnih na tržištu, kao što su CAD (Computer Aided Design - kompjuterska podrška projektovanju, projektovanje pomoću računara), FEM i MBS programi, i CACE (Computer Aided Control Engineering - kompjuterska podrška kontrolnom inženjerstvu) alati. Primer jednog takvog okruženja je prikazan na Slici 4. Na osnovu ove šeme može se uočiti mesto i uloga softverskog paketa MATLAB i njegovog dodatka SIMULINK u okviru kompletnog procesa modeliranja i simulacije jednog novog tehni čkog sistema, a samim tim i sistema aktivnog oslanjanja, o kome će kasnije biti više reči. Integrisano

Eksperimentalnu platformu visokih performansi, koja, u kombinaciji sa integrisanim softverskim okruženjem, potpuno automatizuje proces implementacije od off-line simulacije do primene složenih kontrolera koji rade u realnim uslovima vremena, uklju čujući


7



procedure za startovanje i gašenje, bezbedonosne provere i eksperimentalne kontrole.

Fizičko modeliran e

FEM

Nastran CAD

ProEngineer/ Catia

CAD

linearizaci a MBS

CACE

Adams/ Simpack

Matlab Simulink

CAM

simbolički Kompjuterska podrška kod analizi i projektovanju kontrolnog sistema

Slika 4. CAE softversko okruženje za efikasno modeliranje i simulaciju mehatroni čk ih sistema Kada govorimo o CAD alatima koji su navedeni na Slici 4., u projektovanju sistema za oslanjanje, ali i drugih sistema na vozilima, koriste se i Ideas, Autocad, MSC Construct, dok se pored navedenih CACE i CAM (Computer Aided Modelling - kompjuterska podrška modeliranju) alatki koriste i dSpace, LogiDyn, Madymo, Fasimo i druge. Inače, projektovanje pomoć u rač unara (CAD) je tehnologija koja omogućava korišćenje računara u cilju lakšeg kreiranja, modifikovanja, analiziranja i optimizacije konstrukcije ili projekta. Prema tome, svaki softverski paket koji obuhvata kompjutersku grafiku i inženjerske funkcije u procesu konstruisanja je klasifikovan kao CAD softver. To znači da CAD alati obuhvataju vrlo širok spektar programskih paketa, počevši od onih za manipulaciju geometrijskim oblicima, do specijalizovanih paketa prilagođenih analizi ili optimizaciji. Geometrija kreirana na ovaj način se dalje koristi kao osnova za vršenje zadataka u okvirima CAM (Computer Aided Manufacturing - kompjuterska podrška proizvodnji, proizvodnja pomoću računara) i CAE tehnologija. Zato možemo reći da su izrada nacrta pomoću računara i geometrijsko modeliranje najvažnije komponente CAD tehnologije.

Proizvodnja pomoć u ra č unara (CAM) je tehnologija čiji je cilj planiranje, upravljanje i kontrola nad procesima i operacijama proizvodnje. Jedna od najusavršenijih oblasti primene CAM tehnologija je numeri čka kontrola (NC) mašina u toku proizvodnje. Druga značajna funkcija CAM tehnologija je programiranje robota, koji vrše izbor i pozicioniranje alata i obradaka za NC mašine.


8



Pored brzog kontrolnog prototajpinga, interaktivno testiranje mehatroničkih komponenti i elektronskih kontrolnih jedinica, korišćenjem najsavremenijih hardverskih simulatora u povratnoj sprezi, igra važnu ulogu. Ideja je ugradnja mehatroničkih komponenti u virtualno okruženje u kojem su kretanje vozila, spoljna optere ćenja i okolni mehanički sistemi simulirani u realnim uslovima vremena. HIL simulacija se pokazala kao moćno sredstvo testiranja u ranoj fazi razvoja svih sistema na vozilu. Njene prednosti su: ∗ Značajno smanjenje troškova i vremena razvoja; ∗ Visoka efikasnost u prilagođavanju komponenti i optimizacija kontrolnog sistema; ∗ Jednostavno testiranje pod ekstremnim uslovima manevrisanja i situacije u kojima se javljaju otkazi koji nisu izvodljivi u standardnim eksperimentima. Kroz savremeni razvoj u informatičkoj tehnologiji, progres u modeliranju sistema i mogućnost lakog korišćenja CAE alatki, RCP i HIL su brzo priznati kao izuzetno efikasne metodologije razvoja i testiranja u automobilskom inženjerstvu. Savremenim razvojem u kreiranju efikasnih metodologija testiranja, mehatronički sistemi vezani za motorna vozila mogu biti uspešno razvijeni sa testiranjem u veoma kratkom vremenu i fiksnim troškovima, koriš ćenjem RCP i HIL tehnika. Preduslovi su ugradnja hardverskih platformi za testiranje, koje su povezane sa efikasnim projektantskim alatima i raspoloživost interdisciplinarnog znanja. Veoma su značajni zahtevi u pogledu kvaliteta proizvoda, cene i vremena razvoja novih proizvoda. U cilju zadovoljenja ovih zahteva, upotreba računara se nameće kao jedan od ključnih faktora. Veliki kapaciteti memorije, brza obrada podataka i lakoća korišćenja savremenih računara omogućavaju automatizaciju i povezivanje do sada teških i odvojenih projektantskih i proizvodnih zadataka. U tu svrhu, u toku procesa razvoja novih proizvoda, koriste se nove tehnologije. Prema tome, CAD/CAM/CAE tehnologije za cilj imaju automatizaciju i efikasnije obavljanje pojedinih funkcija u okviru proizvodnog ciklusa. Ipak, važno je naglasiti da upotreba računara u okviru podprocesa sinteze nije velika, jer računari još uvek nisu u stanju da zamene čoveka u kreativnom intelektualnom zaključivanju. Međutim, u ovom podprocesu upotrebom računara moguće je dobiti veliki broj informacija korišćenjem baza podataka o postojećim proizvodima.

1.3. Proces projektovanja Proces projektovanja (konstruisanja) za neki sistem (proizvod) može biti razmatran kroz sledeće faze:


9


-

-

-

-

-

-


Potreba (za projektom) – Proces projektovanja počinje sa

utvrđivanjem potrebe za sistemom, na primer, od strane korisnika. Potreba se može identifikovati istraživanjem tržišta. Analiza problema – Sledeća faza u razvoju projekta je da se pronađe prava priroda problema, analizirajući isti. Ovo je važna faza, jer ako se ne definiše problem na pravi način, posledice će biti izgubljeno vreme na projekat koji ne ispunjava potrebe. Priprema specifikacija – Nakon analize, treba pripremiti specifikaciju zahteva. To obuhvata: utvrđivanje problema (specifikacija svih zahtevanih funkcija i njenih poželjnih performansi - na primer, masa, dimenzije, tip i opseg zahtevanog kretanja, tačnost rada, međuveze, snaga,...); utvrđivanje svih prepreka koje mogu uticati na rešenje; utvrđivanje kriterijuma koji se mogu koristiti prilikom procenjivanja kvaliteta projekta. Stvaranje moguć eg rešenja – Ova faza se često zove i konceptna faza. Izbor pogodnog rešenja – Procenjuju se različita rešenja i bira se najpogodnije. Ova procena obično uključuje stvaranje modela sistema i njegovu simulaciju, u cilju analize reakcije sistema na ulazne parametre. Stvaranje detaljnog projekta – Sada treba razraditi detalje izabranog projekta. To može zahtevati izradu prototipa ili maketa, da bi definisali optimalnu formu projekta (konstrukcije). Završetak izrade projekta ili proizvodnja.

Svaka faza procesa projektovanja ne proizilazi jednostavno jedna iz druge. Nekada je potrebno vratiti se u neku raniju fazu i ponovo razmotriti zaključke, do kojih se došlo u toj, ranijoj fazi.

1.3.1. Tradicionalno i mehatroni čko projektovanje Inženjersko projektovanje je složen proces koji uklju čuje interakcije između mnogih veština i disciplina. Tradicionalni pristup je bio sledeći: mašinski inženjeri projektuju mašinski deo, elektro inženjeri projektuju elektroniku,... To se zove pojedinačni ili sekvencijalni pristup projektovanju. Sa druge strane, osnova mehatroničkog pristupa leži u istovremenom uključivanju različitih disciplina (mašinstvo, elektronika, računarske tehnologije i automatsko upravljanje) u proces projektovanja. Ta važna karakteristika ovog pristupa (istovremenost) veoma mnogo zavisi od modeliranja sistema i njegove simulacije, i od toga kako taj model reaguje na ulazne veličine (i kako će stvarni sistem, što je najvažnije, reagovati na ulazne parametre). Mehatroničko projektovanje obezbeđuje mnogo veću fleksibilnost sistemima u odnosu na tradicionalno projektovanje.


10



1.4. Sistemi i inženjerstvo sistema Kao što je poznato, tehnički sistem je organizovan skup elemenata, objedinjen zajedničkom funkcijom cilja. Osnovno je da se podvuče da sistem u svom sastavu ima više elemenata, tj. sistem uvek predstavlja celinu koja se sastoji iz delova. U načelu, zadatak svih tehničkih sistema se svodi na pretvaranje ulaznih veličina u izlazne veličine. Organizacija elemenata unutar sistema mora biti takva da se obezbedi izvršavanje njegovog zadatka, tj. njegove funkcije cilja. Drugim rečima, izvršavanje funkcije cilja sistema predstavlja smisao i svrhu organizovanja elemenata u bilo kom sistemu. Izvršavanje funkcije cilja ostvaruje se uvek u nekom periodu vremena. Reč je o tome da tehnički sistem ima izrazito dinamički karakter, da on izvršava svoje zadatke samo tokom vremena. Nema tehni čkog sistema čija funkcija cilja nije zavisna od vremena, koji se može posmatrati i analizirati statički, nezavisno od vremena. Zbog toga je i vreme rada bitno obeležje tehničkog sistema. Ovo posebno važi za mnoge sisteme na vozilima (sistem za kočenje, sistem aktivnog oslanjanja,..), jer se vreme njihovog odziva i funkcionisanja meri u milisekundama. Pri opisu rada svakog sistema moramo uzeti u razmatranje još dva važna elementa: okolinu i ponore . Pri tome se pod pojmom okolina podrazumeva čitav niz činilaca i okolnosti. Od osnovne je važnosti, međutim, da je okolina, bez obzira na elemente koji je definišu ili opredeljuju, po svojoj prirodi i karakteru uvek stohastička, menjajući se tokom vremena po nekim slučajnim zakonima. Otuda sledi i zaključak da okolina na sistem uvek deluje poremećajno, ona ometa ili ograničava funkcionisanje sistema. Tehnički sistem u načelu predstavlja složenu strukturu, koja obuhvata veći broj elemenata, različite uloge i značaja u izvršavanju zajedničke funkcije cilja tokom vremena, a i različitih sopstvenih osobina i svojstava, posebno u odnosu na stohastičko delovanje okoline i svih činilaca koji određuju uslove rada tehničkih sistema. Početak razvoja "sistemskog doba" vezuje se za četrdesete godine prošlog veka, kao rezultat promene u pogledu načina razmišljanja od analitičkog ka sintetizovanom mišljenju. U istom periodu se rađa i "treća generacija" proizvodnje - "lean production", kao rešenje koje objedinjava prednosti proizvodnje prethodnih generacija - zanatske i masovne. Sintetizovano mišljenje nam omogućava da se osobine jedne komponente sistema analiziraju sa stanovišta njene uloge u sklopu sistema, dok se u analitičkom načinu razmišljanja osobine pojedinih komponenti objašnjavaju na bazi osobina njenih delova.


11



Savremene sistemske nauke daju mogu ćnost za sprovođenje kompleksnih analiza tehničkih sistema. Ovo se posebno odnosi na Inženjerstvo sistema (System Engineering) . Inženjerstvo sistema, kao skup "naučnih i inženjerskih aktivnosti (napora)", ima zadatak da na bazi iskazanih "potreba (zahteva)" omogući specifikaciju i opis potrebnih radnih karakteristika tehničkog sistema i njegovu najpovoljniju strukturu ili konfiguraciju, te da povezivanjem radnih karakteristika i parametara sistema obezbedi punu kompatibilnost svih fizičkih, funkcionalnih, programskih i ostalih sadržaja, uz punu integraciju potrebnih svojstava pouzdanosti, pogodnosti održavanja, logističke podrške, bezbednosti, produktivnosti, radne sigurnosti, trajnosti, humanizacije rada, zaštite okoline, i svih drugih značajnih osobina u "jedinstven inženjerski poduhvat". Sve ove tehnologije imaju za cilj da doprinesu stvaranju uslova za zadovoljenje potreba odnosno zahteva korisnika. Možemo re ći i da je inženjerstvo sistema tehničko-tehnološka sistemska nauka koja olakšava sintezu vrlo različitih, ali međusobno zavisnih, elemenata u sistem koji harmoni čno radi, omogućavajući ostvarenje svih njegovih anticipiranih funkcija.

U procesu projektovanja mehatroničkih sistema, jedan od koraka uključuje stvaranje modela sistema, tako da možemo predvideti njegovo ponašanje kada se javljaju promene ulaznih veli čina. Takav model uključuje blok dijagram sistema, u cilju predstavljanja istog. Termin modeliranje se koristi kada predstavljamo ponašanje realnog


12



sistema pomoću matematičkih jednačina, koje, pak, predstavljaju relacije između ulaza i izlaza u sistem. Na primer, opruga može biti razmatrana kao sistem koji ima ulaznu veličinu (sila F ) i izlaznu veličinu (istezanje x ) – Slika 2(a). Jednačina koja nam daje relacije između ulaza i izlaza je F=kx , gde je k konstanta. Kao drugi primer možemo uzeti motor, gde je ulaz električna struja, a izlaz okretanje vratila – Slika 2(b). Merni sistem razmatramo kao blok dijagram koji se koristi za sprovo đenje merenja. Njegova ulaz je veličina koja se meri, dok je izlaz vrednost te veličine. Kao primer imamo sistem za merenje temperature – Slika 2(c). Ulaz je temperatura, a izlaz je vrednost na skali.

Slika 2. Primeri sistema: (a) opruga, (b) motor, (c) termometar 1.4.1. Modeliranje sistema


13



Odziv (odgovor) svakog sistema na ulaznu promenljivu nije momentalan. Na primer, jednačina za sistem opruge (F=kx ), koji smo prethodno pominjali, opisuje relacije samo u stacionarnom stanju. Kada se sila primeni, verovatno je da će se oscilacije javiti pre nego što se opruga vrati u svoje prvobitno, stacionarno stanje – Slika 3. Tako, da bi znali kako se sistem ponaša kada postoje promene ulazne veličine, potrebno je razviti model sistema koji povezuje izlaz sa ulazom, tako da možemo razraditi, za date vrednosti ulaznih parametara, kako će izlazni parametri varirati sa vremenom i kakav će biti konačne posledice (nakon smirivanja sistema i prestanka dejstva ulaznih parametara). Često se relacije između ulaza i izlaza nekog sistema opisuju diferencijalnim jednačinama.

Slika 3. Odziv sistema na promenu ulazne veli či ne (za oprugu) Kao drugi primer, ako uključimo čajnik, trebaće neko vreme da voda u čajniku dostigne tačku ključanja – Slika 4. Slično, kada kontroler mikroprocesora da signal da se pomeri sočivo za fokusiranje kod automatskog fotoaparata, potrebno je vreme pre nego što so čivo dostigne poziciju za ispravno fokusiranje.

Slika 4. Odziv sistema na promenu ulazne veli č ine (za č ajnik) Osim kod najjednostavnijih sistema, korisno je sistem razmatrati kao niz međusobno povezanih blokova, od kojih svaki takav blok ima specifičnu funkciju. U tom slučaju imamo situaciju u kojoj je izlaz iz jednog bloka ulaz u drugi blok sistema. Prilikom stvaranja takvih blok dijagrama, neophodno je prepoznati da linije koje povezuju blokove pokazuju tok informacija u pravcu u kome je okrenuta strelica, i ne


14



moraju obavezno podrazumevati i fizičku povezanost blokova. Primer takvog sistema je CD plejer – Slika 5.

Slika 5. CD plejer

1.5. Merni sistemi Posebnu važnost prilikom svake diskusije o mehatronici imaju merni sistemi. Merni sistemi se, uopšteno gledano, sastoje od tri osnovna elementa (Slika 6): 1) Senzor, koji se odaziva na vrednost koja se meri, daju ći kao izlaz signal koji je povezan sa tom vrednošću. Na primer, termopar je senzor temperature. 2) Kondicioner signala dobija signal od senzora i upravlja istim na taj način da je pogodan za prikazivanje na displeju. Pojačalo je primer kondicionera signala. 3) Sistem displeja, na kome se prikazuje izlaz iz kondicionera signala.


15



Slika 6. Merni sistem i njegovi sastavni elementi Kao primer, pogledajmo digitalni termometar – Slika 7.

Slika 7. Sistem digitalnog termometra 1.6. Analogija komponenti: elektrotehnika - mašinstvo Signal, element ili sistem koji pokazuje matematičko ponašanje identično nekom drugom signalu, elementu ili sistemu, ali je fizički različit od njega, naziva se analogna veličina. Analogne veličine su: ♣ sila – napon ♣ brzina – struja ♣ pomeranje – punjenje ♣ prigušivač – otpornik ♣ opruga – kondenzator ♣ masa – induktor


16




17

Uvod u Mehatroniku

Recommend Documents